PHẦN HAI ĐA VŨ TRỤ CHƯƠNG NĂM CÁC TỔNG ĐA CHIỀU VÀ DU HÀNH TRONG THỜI GIAN

Bên trong mọi lỗ đen đang suy sụp có thể chứa các mầm giống của một vũ trụ dãn nở mới.

- Tôn ông Martin Rees

Các lỗ đen có thể là các lỗ hổng dẫn đến hệ thời gian khác. Khi chúng ta chui xuống một lỗ đen, liệu chúng ta có tái xuất hiện trong một phần khác của vũ trụ và trong một kỷ nguyên khác hay không thì vẫn chỉ là điều phỏng đoán… Các lỗ đen có thể là lối vào các xứ sở thần tiên. Nhưng ở đó có các Alice hay những con thỏ trắng hay không?

- Carl Sagan

Thuyết tương đối rộng giống như một con ngựa thành Troy. Bề ngoài, thuyết này là tuyệt diệu. Chỉ với vài giả định đơn giản, người ta có thể thu được các đặc trưng chung của vũ trụ, bao gồm sự uốn cong của ánh sáng sao và bản thân vụ nổ lớn, tất cả trong số đó đã được đo đạc với độ chuẩn xác đáng kinh ngạc. Ngay cả lạm phát cũng có thể được điều chỉnh thích hợp, nếu chúng ta tự tay thêm một hằng số vũ trụ vào vũ trụ ban đầu. Các giải pháp này giúp chúng ta đưa ra thuyết có tính thuyết phục nhất về sự sinh diệt của vũ trụ.

Nhưng chúng ta thấy nấp bên trong con ngựa này là tất cả các loại yêu ma quỷ quái, bao gồm các lỗ đen, các lỗ trắng, các lỗ giun và thậm chí cả các cỗ máy thời gian thách đố tri giác thông thường. Các dị thường này từng được xem là kỳ dị tới mức ngay cả bản thân Einstein cũng nghĩ rằng chúng không bao giờ có thể tồn tại trong tự nhiên. Trong nhiều năm, ông đã vất vả chống lại các giải pháp kỳ lạ này. Ngày nay, chúng ta biết rằng các dị thường này không thể dễ dàng gạt bỏ. Chúng là phần không thể thiếu của thuyết tương đối rộng. Và trên thực tế, chúng thậm chí có thể cung cấp sự cứu giúp cho bất kỳ sinh vật có trí tuệ nào đang đương đầu với vụ đóng băng lớn.

Nhưng có lẽ kỳ lạ nhất trong các dị thường này là khả năng tồn tại của các vũ trụ song song và các cửa ngõ kết nối chúng. Nếu chúng ta nhớ lại phép ẩn dụ mà Shakespeare đưa ra rằng cả thế giới là một sân khấu, thì thuyết tương đối rộng thừa nhận khả năng tồn tại của các cửa sập. Nhưng thay vì dẫn đến tầng hầm, chúng ta thấy rằng các cửa sập này dẫn tới các sân khấu song song giống như sân khấu gốc. Hãy tưởng tượng một sân khấu cuộc sống bao gồm các sân khấu nhiều tầng, với tầng này xếp chồng lên tầng kia. Trên từng sân khấu, các diễn viên diễn đọc lời thoại và thả bộ vòng quanh phong cảnh dựng, nghĩ rằng sân khấu của họ là duy nhất mà lãng quên về khả năng các thực tại khác thay thế. Tuy nhiên, nếu một ngày nào đó họ vô tình sa vào một cửa sập, họ thấy bản thân mình lọt vào một sân khấu hoàn toàn mới, với các quy luật mới, các nguyên tắc mới, và một kịch bản mới.

Nhưng nếu có tồn tại một lượng vô hạn các vũ trụ, thì liệu sự sống có hiện diện trong bất kỳ vũ trụ nào với các quy luật vật lý khác nhau hay không? Đó là một câu hỏi mà Isaac Asimov đã đặt ra trong truyện khoa học giả tưởng kinh điển của ông là The Gods Themselves (Bản thân các vị thần), trong đó ông tạo ra một vũ trụ song song với lực hạt nhân khác với lực hạt nhân của chính chúng ta. Ở đó nảy sinh những khả năng đầy thích thú khi các quy luật vật lý thông thường bị hủy bỏ và các quy luật mới được đưa vào.

Câu chuyện bắt đầu vào năm 2070, khi một nhà khoa học tên là Frederick Hallam tình cờ nhận ra rằng vonfram-186 thông thường bị chuyển hóa thành plutoni-186 một cách kỳ lạ và bí ẩn, dĩ nhiên do nó có quá nhiều proton nên sẽ không ổn định. Hallam nêu ra giả thuyết nguyên tố plutoni-186 kỳ lạ này đã đến từ một vũ trụ song song, nơi mà lực hạt nhân mạnh hơn nhiều, vì vậy nó thắng được lực đẩy của các proton. Vì nguyên tố plutoni-186 kỳ lạ này phát ra một lượng lớn năng lượng dưới dạng các electron, nên có thể khai thác nó để tạo ra một lượng năng lượng tự do khổng lồ. Năng lượng này kích hoạt bơm điện tử Hallam trứ danh, giúp giải quyết cuộc khủng hoảng năng lượng trên Trái Đất, biến ông thành người giàu có. Nhưng có một cái giá phải trả. Nếu có đủ plutoni-186 xa lạ tiến vào vũ trụ của chúng ta, thì lực hạt nhân nói chung sẽ gia tăng cường độ. Điều này có nghĩa là có nhiều năng lượng hơn sẽ được giải phóng từ quá trình hợp hạch, và Mặt Trời sẽ bừng sáng hơn và cuối cùng nổ tung, tiêu diệt toàn bộ hệ Mặt Trời!

Trong khi đó, những người ngoài hành tinh trong vũ trụ song song lại có một viễn cảnh khác. Vũ trụ của họ đang hấp hối. Lực hạt nhân trong vũ trụ của họ là rất mạnh, nghĩa là các ngôi sao đang tiêu thụ hyđrô với tốc độ chóng mặt và sẽ nhanh chóng chết đi. Họ thiết lập một cơ chế trao đổi, nhờ đó plutoni-186 vô dụng được gửi đến vũ trụ của chúng ta để đổi lấy vonfram-186 có giá trị, cho phép họ tạo ra bom positron cứu vãn thế giới đang hấp hối của họ. Mặc dù họ nhận thức rõ rằng lực hạt nhân sẽ tăng mạnh về cường độ trong vũ trụ của chúng ta, làm cho các ngôi sao của chúng ta nổ tung, nhưng họ không quan tâm.

Trái Đất đang tiến nhanh tới một thảm họa. Nhân loại lúc này đã trở nên phụ thuộc vào năng lượng tự do của Hallam, nên không tin rằng Mặt Trời sẽ nổ tung trong nay mai. Thế nhưng, một nhà khoa học khác đã tìm ra một giải pháp tài tình cho câu hỏi hóc búa này. Ông một mực tin rằng chắc hẳn phải tồn tại các vũ trụ song song khác. Ông đã cải tiến thành công một máy đập vỡ nguyên tử mạnh mẽ để có thể tạo ra một lỗ hổng trong không gian nhằm kết nối vũ trụ của chúng ta với nhiều vũ trụ khác. Tìm kiếm trong vô vàn vũ trụ ấy, cuối cùng ông tìm thấy một vũ trụ song song trống rỗng giống như “quả trứng vũ trụ” có chứa một lượng vô hạn năng lượng, nhưng với một lực hạt nhân yếu hơn.

Bằng cách hút năng lượng từ quả trứng vũ trụ này, ông có thể tạo một bom năng lượng mới và đồng thời làm suy yếu lực hạt nhân trong vũ trụ của chúng ta, theo cách ấy ngăn không cho Mặt Trời nổ tung. Tuy nhiên, vẫn có một cái giá phải trả: lực hạt nhân của vũ trụ song song mới này sẽ bị tăng lên, khiến nó nổ tung. Nhưng ông lập luận rằng vụ nổ này sẽ chỉ đơn thuần làm cho quả trứng vũ trụ “nở”, tạo ra một vụ nổ lớn mới. Trên thực tế, ông thấy rõ là mình sẽ trở thành bà đỡ cho một vũ trụ dãn nở mới.

Truyện khoa học giả tưởng của Asimov là một truyện hiếm hoi thực sự sử dụng các định luật của vật lý hạt nhân để xoay vòng một câu chuyện về lòng tham, âm mưu và sự cứu rỗi. Asimov đã đúng khi giả định rằng việc thay đổi cường độ các lực trong vũ trụ của chúng ta sẽ mang lại những hậu quả tai hại, rằng các ngôi sao sẽ bừng sáng lên rồi nổ tung nếu lực hạt nhân được gia tăng cường độ. Điều này cũng nêu lên một câu hỏi không thể tránh khỏi: các vũ trụ song song liệu có phù hợp với các định luật vật lý hay không? Và nếu phù hợp, thì chúng ta cần làm gì để tiến vào một vũ trụ như thế?

Để trả lời cho những câu hỏi này, trước hết chúng ta phải hiểu được bản chất của các lỗ giun, năng lượng âm, và tất nhiên là cả các thiên thể bí ẩn được gọi là các lỗ đen.

CÁC LỖ ĐEN

Năm 1783, nhà thiên văn người Anh John Michell là người đầu tiên tự hỏi điều gì sẽ xảy ra nếu một ngôi sao to tới mức bản thân ánh sáng cũng không thể thoát ra. Bất kỳ thiên thể nào, như ông biết, đều có một “vận tốc thoát ly” (hay vận tốc vũ trụ cấp 2), là vận tốc cần thiết để bứt khỏi lực hút hấp dẫn của nó. Chẳng hạn, đối với Trái Đất vận tốc thoát ly là 25.000 dặm trên giờ (40.200 km/h), là tốc độ mà bất kỳ tên lửa nào cũng phải đạt được để thoát khỏi trường hấp dẫn của Trái Đất.)

Michell tự hỏi điều gì có thể xảy ra nếu một ngôi sao trở nên khổng lồ tới mức vận tốc thoát ly của nó bằng với tốc độ ánh sáng. Trường hấp dẫn của nó sẽ phải khủng khiếp tới mức không gì có thể thoát ra khỏi nó, kể cả ánh sáng, và vì thế thiên thể sẽ dường như tối đen với thế giới bên ngoài. Việc tìm kiếm một thiên thể như vậy trong không gian là điều vô ích, vì nó sẽ trở nên vô hình.

Những điều cất vấn của Michell về các “ngôi sao tối” đã bị lãng quên trong khoảng một thế kỷ rưỡi. Nhưng chủ đề này lại nổi lên vào năm 1916, khi Karl Schwarzschild, một nhà vật lý người Đức phục vụ trong quân đội Đức ở mặt trận Nga, đã tìm thấy một nghiệm chính xác của các phương trình Einstein áp dụng cho một ngôi sao nặng. Ngay cả ngày nay, nghiệm Schwarzschild vẫn được biết đến là nghiệm chính xác đơn giản nhất và tao nhã nhất của các phương trình Einstein. Einstein rất ngạc nhiên vì Schwarzschild lại có thể tìm ra nghiệm của các phương trình tenxơ (tensor) phức tạp của mình trong khi đang núp tránh đạn pháo. Ông càng ngạc nhiên hơn khi nghiệm Schwarzschild có những thuộc tính kỳ quặc.

Xét một cách tổng quát, nghiệm Schwarzschild có thể tương ứng với lực hấp dẫn của một ngôi sao thông thường, và Einstein nhanh chóng áp dụng nghiệm này để tính toán xấp xỉ lực hấp dẫn xung quanh Mặt Trời và kiểm tra các tính toán trước đó của ông. Vì điều này ông luôn luôn biết ơn Schwarzschild. Nhưng trong bài báo thứ hai của mình, Schwarzschild đã chỉ ra rằng xung quanh một ngôi sao rất lớn có một “quyển ma quái” tưởng tượng với những tính chất kỳ quái. Quyển ma quái này là điểm không thể quay lại. Bất cứ ai hay thứ gì nếu đi qua quyển ma quái này ngay lập tức sẽ bị hút vào ngôi sao đó dưới tác động của lực hấp dẫn mà không bao giờ còn được nhìn thấy nữa. Thậm chí cả ánh sáng cũng không thể thoát ra nếu rơi vào vùng cầu này. Schwarzschild không hề biết rằng ông đã tái phát hiện ngôi sao tối của Michell, thông qua các phương trình Einstein.

Tiếp theo ông đã tính toán bán kính cho hình cầu ma quái này (gọi là bán kính Schwarzschild). Đối với một thiên thể kích thước cỡ như Mặt Trời của chúng ta, quyển ma quái này có bán kính khoảng 2 dặm (3 km). (Đối với Trái Đất, bán kính Schwarzschild của nó là khoảng 1 cm). Điều này có nghĩa rằng nếu người ta có thể nén Mặt Trời xuống tới 3 km thì nó sẽ trở thành một ngôi sao tối và nuốt chửng bất kỳ thiên thể nào vượt qua điểm không thể quay lại này.

Về mặt thực nghiệm, sự tồn tại của quyển ma quái không gây ra vấn đề gì, vì không thể nén Mặt Trời xuống tới 3 km, Không có cơ chế đã biết nào để tạo ra một ngôi sao quái dị như vậy. Nhưng về mặt lý thuyết, nó là một thảm họa. Mặc dù thuyết tương đối rộng của Einstein có thể mang lại thành quả xuất sắc, như giải thích sự uốn cong của ánh sáng sao xung quanh Mặt Trời, nhưng thuyết này trở nên vô lý khi bạn tiếp cận quyển ma quái của nó, nơi mà lực hấp dẫn trở nên lớn vô hạn.

Johannes Droste, một nhà vật lý Hà Lan, khi đó đã chỉ ra rằng nghiệm Schwarzschild thậm chí còn điên rồ hơn. Theo thuyết tương đối, các chùm sáng có thể bị cong đi ghê gớm khi phóng nhanh lại gần thiên thể. Quả thật, ở cự ly 1,5 lần bán kính Schwarzschild, các tia sáng đã quay tròn xung quanh ngôi sao loại này. Droste chỉ ra rằng các biến dạng của thời gian trong thuyết tương đối rộng xung quanh các ngôi sao nặng này còn tồi tệ hơn những gì tìm thấy trong thuyết tương đối hẹp. Ông đã chỉ ra rằng, khi bạn tiếp cận quyển ma quái này, người nào đó quan sát từ xa sẽ nói rằng đồng hồ của bạn chạy ngày càng chậm hơn, cho đến khi nó dừng lại hoàn toàn khi bạn va phải thiên thể này. Trên thực tế, người quan sát sẽ nói rằng bạn đã bị đóng băng về thời gian khi tiến tới quyển ma quái. Vì chính thời gian sẽ ngừng lại tại điểm này, một số nhà vật lý tin rằng một thiên thể kỳ lạ như vậy không bao giờ có thể tồn tại trong tự nhiên. Vấn đề trở nên thú vị hơn nữa khi nhà toán học Herman Weyl chỉ ra rằng nếu người ta khám phá ra thế giới bên trong quyển ma quái, thì có thể sẽ tồn tại một vũ trụ khác ở phía bên kia.

Tất cả những điều này kỳ quái tới mức ngay cả Einstein cũng không thể tin. Năm 1922, trong một hội nghị ở Paris, nhà toán học Jacques Hadamard đã hỏi Einstein điều gì sẽ xảy ra nếu “tính kỳ dị” này là có thực, có nghĩa là, nếu hấp dẫn trở thành vô hạn tại bán kính Schwarzschild. Einstein đã trả lời: “Nó sẽ là một thảm họa thật sự đối với thuyết tương đối rộng, và sẽ rất khó để nói tiên nghiệm những gì có thể xảy ra về mặt vật lý vì không áp dụng công thức được nữa.” [68] Einstein sau đó gọi điều này là “thảm họa Hadamard”. Nhưng ông nghĩ rằng tất cả tranh cãi xung quanh các ngôi sao tối chỉ là phỏng đoán thuần túy. Thứ nhất, chưa có ai đã từng gặp một thiên thể kỳ quái như vậy, và có lẽ chúng không tồn tại, nghĩa là, chúng là phi thực thể. Hơn nữa, bạn sẽ bị nghiền nát nếu rơi vào một thiên thể như vậy. Và vì người ta không bao giờ có thể vượt qua quyển ma quái (vì thời gian đã dừng lại), nên không một ai có thể tiến vào vũ trụ song song này.

Trong thập niên 1920, các nhà vật lý đã hoàn toàn lúng túng trước vấn đề này. Nhưng vào năm 1932, George Lemaître, cha đẻ của thuyết vụ nổ lớn đã thực hiện một bước đột phá quan trọng. Ông đã chỉ ra rằng quyển ma quái không hề là một điểm kỳ dị nơi lực hấp dẫn trở thành vô hạn mà nó chỉ là một ảo tưởng toán học do lựa chọn một tập hợp không may mắn trong toán học gây ra. (Nếu người ta chọn một tập hợp các tọa độ khác hoặc các tham biến để kiểm tra quyển ma quái thì điểm kỳ dị này biến mất.)

Dựa theo kết quả này, nhà vũ trụ học H. P. Robertson sau đó đã tái kiểm tra kết quả ban đầu của Droste rằng thời gian dừng lại tại quyển ma quái. Ông thấy rằng thời gian chỉ dừng lại tại nơi một người quan sát đang theo dõi con tàu vũ trụ tiến vào quyển ma quái. Tại điểm quan sát ở chính tàu vũ trụ đó, sẽ chỉ mất một phần vô cùng nhỏ của giây để lực hấp dẫn hút tuột bạn lao thẳng qua quyển ma quái. Nói cách khác, một nhà du hành vũ trụ không đủ may mắn để vượt qua quyển ma quái sẽ thấy mình bị nghiền nát gần như ngay lập tức, nhưng đối với một người quan sát theo dõi từ bên ngoài, việc đó dường như phải mất hàng nghìn năm.

Đây là một kết quả quan trọng. Nó có nghĩa rằng quyển ma quái là có thể đạt tới và không còn có thể bị bỏ qua vì bị coi là một điều kỳ quái toán học. Lúc này, cần phải xem xét nghiêm túc điều gì có thể xảy ra nếu người ta vượt qua được quyển ma quái. Các nhà vật lý sau đó đã tính toán được một cuộc hành trình đi qua quyển ma quái có thể giống như cái gì. (Ngày nay, quyển ma quái này được gọi là chân trời sự kiện . Chân trời ở đây ngụ ý là điểm xa nhất mà người ta có thể nhìn thấy. Ở đây đề cập tới điểm xa nhất mà ánh sáng có thể di chuyển. Bán kính của chân trời sự kiện được gọi là bán kính Schwarzschild.)

Khi bạn tới gần một lỗ đen trong một con tàu vũ trụ, bạn sẽ thấy ánh sáng bị lỗ đen bắt giữ hàng tỉ năm trước, có niên đại ngược về khoảnh khắc đầu tiên khi chính lỗ đen được tạo ra. Nói cách khác, lịch sử hình thành lỗ đen sẽ được hé lộ với bạn. Khi bạn tiến vào gần hơn, các lực thủy triều sẽ dần dần tách các nguyên tử của cơ thể bạn ra, thậm chí cho đến khi các hạt nhân nguyên tử của bạn sẽ giống như món mì ống Ý. Cuộc hành trình qua chân trời sự kiện sẽ là một chuyến đi một chiều, vì hấp dẫn sẽ là mạnh tới mức chắc chắn bạn sẽ bị hút thẳng vào trung tâm, nơi bạn sẽ bị nghiền nát đến chết. Một khi đã ở trong chân trời sự kiện, sẽ không thể quay trở lại. (Để thoát khỏi chân trời sự kiện, người ta sẽ phải di chuyển nhanh hơn ánh sáng, và đó là điều không thể.)

Năm 1939, Einstein đã viết một bài báo trong đó ông đã tìm cách loại bỏ các ngôi sao tối như thế, tuyên bố rằng chúng không thể được hình thành bằng các quá trình tự nhiên. Ông đã bắt đầu bằng giả định cho rằng một ngôi sao hình thành từ một tập hợp xoay tít gồm bụi, khí và mảnh vụn đang xoay trong một khối cầu, dần dần tụ tập lại cùng nhau vì lực hấp dẫn. Sau đó ông đã chỉ ra rằng tập hợp các hạt đang xoáy tít này sẽ không bao giờ suy sụp (co mạnh) trong phạm vi bán kính Schwarzschild của nó, và vì thế sẽ không bao giờ trở thành một lỗ đen. Cùng lắm thì khối các hạt xoáy tít này sẽ đạt tới 1,5 lần bán kính Schwarzschild, và vì thế lỗ đen sẽ không bao giờ hình thành. (Để đạt tới mức dưới 1,5 lần bán kính Schwarzschild, người ta sẽ phải di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, một điều không thể.) “Kết quả cốt yếu của nghiên cứu này là sự hiểu biết rõ ràng tại sao các ‘điểm kỳ dị Schwarzschild’ không tồn tại trong thực tại vật chất,” [69] Einstein đã viết.

Cũng vậy, Arthur Eddington đã có sự dè dặt sâu xa về các lỗ đen và ôm một mối nghi ngờ suốt đời rằng chúng không bao giờ có thể tồn tại. Ông đã từng nói rằng phải có một quy luật của tự nhiên ngăn chặn một ngôi sao hành xử theo cách phi lý này” [70] .

Trớ trêu thay, trong cùng năm đó, J. Robert Oppenheimer (người sau này chế tạo ra bom nguyên tử) và học trò của ông là Hartland Snyder đã chỉ ra rằng một lỗ đen quả thật có thể hình thành, thông qua một cơ chế khác. Thay vì giả định rằng một lỗ đen hình thành từ một tập hợp các hạt xoáy tít đang sụp đổ dưới tác động của hấp dẫn, họ đã sử dụng điểm nghiên cứu ban đầu là một ngôi sao già nặng đã sử dụng hết nhiên liệu hạt nhân và vì thế nổ tung vào trong dưới tác động của lực hấp dẫn. Chẳng hạn, một ngôi sao kềnh đang hấp hối với khối lượng gấp 40 lần Mặt Trời có thể cạn kiệt nhiên liệu hạt nhân của mình và bị nén bởi hấp dẫn tới phạm vi bán kính Schwarzschild của nó là 130 km, trong trường hợp đó nó chắc chắn sẽ suy sụp thành một lỗ đen. Họ đề xuất rằng các lỗ đen không chỉ hiện hữu mà chúng có thể là điểm kết thúc tự nhiên cho hàng tỉ ngôi sao kềnh đang hấp hối trong thiên hà. (Có lẽ ý tưởng về sự nổ vào trong, Oppenheimer khám phá ra vào năm 1939, đã truyền cảm hứng cho ông về cơ chế nổ vào trong được sử dụng trong bom nguyên tử chỉ vài năm sau đó.)

CẦU EINSTEIN-ROSEN

Mặc dù Einstein từng nghĩ rằng các lỗ đen tồn tại trong tự nhiên là điều không tưởng, nhưng khi đó ông đã châm biếm chỉ ra rằng chúng thậm chí còn kỳ lạ hơn so với những gì mà bất cứ ai đã nghĩ, ở chỗ các lỗ giun nằm ở chính giữa một lỗ đen. Các nhà toán học gọi chúng là các không gian đa kết nối. Các nhà vật lý gọi chúng là các lỗ giun, vì giống như một con giun đào bới trong lòng đất, chúng tạo ra một đường tắt giữa hai điểm. Chúng đôi khi được gọi là các cổng hay các cửa ngõ đa chiều. Bất kể bạn gọi chúng là gì, một ngày nào đó chúng có thể cung cấp các phương tiện tối hậu của việc du hành liên chiều.

Cầu Einstein-Rosen. Tại trung tâm của một lỗ đen, có một “cổ họng” kết nối không-thời gian tới một vũ trụ khác hay một điểm khác trong vũ trụ của chúng ta. Mặc dù mọi vật sẽ chết ngay tắp lự nếu du hành qua một lỗ đen tĩnh, nhưng các lỗ đen quay có một vùng kỳ dị giống như một cái vòng, như vậy hoàn toàn có khả năng chui qua vòng và vượt qua cầu Einstein-Rosen, mặc dù điều này vẫn còn là suy đoán.

Người đầu tiên truyền bá các lỗ giun là nhà văn Charles Dodgson, bút danh Lewis Carroll. Trong tác phẩm Through the Looking Glass (Thế giới trong gương), ông đã giới thiệu lỗ giun như chiếc gương soi, kết nối vùng quê Oxford với Xứ Sở Thần tiên. Là một giáo sư toán học và giảng viên Đại học Oxford, Dodgson đã quen thuộc với các không gian đa kết nối này. Theo định nghĩa, một không gian đa kết nối là một không gian trong đó một dây thòng lọng không thể bị co nhỏ lại thành một điểm. Thông thường, trong không gian của chúng ta, bất kỳ một cái vòng thòng lọng nào cũng có thể dễ dàng thu nhỏ thành một điểm. Nhưng nếu chúng ta ở trong một chiếc bánh rán có lỗ thủng ở giữa (doughnut), thì có thể đặt chiếc dây thòng lọng trên bề mặt của nó sao cho nó bao quanh lỗ của chiếc bánh rán này. Khi chúng ta từ từ thu hẹp vòng này, chúng ta thấy rằng nó không thể bị thu hẹp thành một điểm; cùng lắm thì nó chỉ có thể bị thu hẹp thành đường bao của lỗ hổng này.

Các nhà toán học vui sướng với thực tế rằng họ đã tìm thấy một đối tượng hoàn toàn vô dụng trong việc miêu tả không gian. Nhưng vào năm 1935, Einstein và học trò của ông là Nathan Rosen đã du nhập các lỗ giun vào thế giới vật lý. Họ đã cố gắng sử dụng giải pháp lỗ đen làm mô hình cho các hạt cơ bản. Einstein chưa bao giờ thích ý tưởng có từ thời Newton rằng lực hấp dẫn của hạt trở nên vô hạn khi bạn tới gần nó. Einstein nghĩ rằng “điểm kỳ dị” này phải bị loại bỏ vì nó vô nghĩa.

Einstein và Rosen nêu ra một ý tưởng mới mẻ về việc miêu tả một lỗ đen như một electron (thường được nghĩ đến như là một điểm rất nhỏ không có cấu trúc). Theo cách này, thuyết tương đối rộng có thể sử dụng để giải thích các bí ẩn của thế giới lượng tử trong thuyết trường thống nhất. Họ đã bắt đầu với lời giải lỗ đen tiêu chuẩn, tương tự như một chiếc bình lớn với cái cổ dài. Sau đó họ cắt cổ bình, và nối nó với một lời giải lỗ đen khác đã được lộn ngược. Đối với Einstein, cấu hình lạ lùng nhưng uyển chuyển này sẽ thoát khỏi điểm kỳ dị tại khởi nguyên của lỗ đen và có thể hoạt động như một electron.

Thật không may, ý tưởng của Einstein về việc miêu tả một lỗ đen như một electron đã thất bại. Nhưng ngày nay, các nhà vũ trụ học suy đoán rằng cầu Einstein-Rosen có thể thực hiện vai trò như một cửa ngõ giữa hai vũ trụ. Chúng ta có thể đi đi lại lại tự do trong một vũ trụ cho đến khi vô tình rơi vào một lỗ đen, tại đó chúng ta có thể bị hút tuột qua lỗ và xuất hiện ở phía bên kia (thông qua một lỗ trắng).

Đối với Einstein, bất kỳ lời giải nào cho các phương trình của ông, nếu nó đã bắt đầu với một điểm khởi đầu đáng tin cậy về mặt vật lý, phải tương ứng với một thực thể có khả năng tồn tại. Nhưng ông đã không lo lắng về việc một ai đó rơi vào một lỗ đen và tiến vào một vũ trụ song song. Các lực thủy triều sẽ trở thành vô hạn tại trung tâm lỗ đen, và bất cứ ai kém may mắn rơi vào một lỗ đen, các nguyên tử trên cơ thể họ sẽ bị xé toạc bởi trường hấp dẫn. (Cầu Einstein-Rosen mở ra ngay tức khắc, nhưng nó đóng lại nhanh tới mức không một vật thể nào có thể kịp vượt qua nó để sang được phía bên kia). Quan điểm của Einstein là dù các lỗ giun có thể tồn tại, nhưng các sinh vật sống không bao giờ có thể vượt qua một lỗ giun mà còn sống để kể về nó.

CÁC LỖ ĐEN QUAY

Tuy nhiên, năm 1963, quan điểm này đã bắt đầu thay đổi, khi nhà toán học New Zealand là Roy Kerr tìm ra một lời giải chính xác cho phương trình Einstein miêu tả một ngôi sao đang hấp hối có lẽ thuộc loại thực tế nhất: một lỗ đen quay. Vì bảo toàn mômen động lượng, nên khi một ngôi sao suy sụp do hấp dẫn, nó quay nhanh hơn. Điều này cũng giải thích tại sao các thiên hà đang quay trông giống như những chiếc chong chóng, và tại sao những người trượt băng quay nhanh hơn khi họ thu tay của họ vào trong.) Một ngôi sao đang quay có thể suy sụp thành một vòng các nơtron, vẫn sẽ ổn định vì lực ly tâm mạnh đẩy ra phía ngoài, triệt tiêu lực hấp dẫn hướng vào trong. Đặc trưng đáng kinh ngạc của một lỗ đen như vậy là nếu bạn rơi vào một lỗ đen Kerr, bạn sẽ không bị nghiền nát. Thay vì thế, bạn sẽ bị hút hoàn toàn qua cầu Einstein-Rosen để tới một vũ trụ song song. “Vượt qua vòng ma quái này và - ơ kìa! - bạn đang trong một vũ trụ hoàn toàn khác có bán kính và khối lượng đều âm!” Kerr reo lên với một đồng nghiệp, khi ông phát hiện ra giải pháp này [71] .

Tấm gương soi của Alice cũng giống như chiếc vòng Kerr đang quay. Nhưng bất kỳ một chuyến đi nào xuyên qua vòng Kerr đều sẽ là chuyến đi một chiều. Nếu bạn đã vượt qua chân trời sự kiện xung quanh vòng Kerr, lực hấp dẫn có thể không đủ để nghiền nát bạn, nhưng nó hoàn toàn đủ để ngăn chặn bạn quay ngược trở lại qua chân trời sự kiện. (Trên thực tế, lỗ đen Kerr có hai chân trời sự kiện. Một số người suy đoán rằng bạn có thể cần tới một vòng Kerr thứ hai, kết nối vũ trụ song song ngược trở lại với vũ trụ của chúng ta, để thực hiện một chuyến trở về.) Theo nghĩa nào đó thì một lỗ đen Kerr có thể so sánh với một thang máy bên trong một tòa nhà chọc trời. Thang máy này tương ứng với cầu Einstein-Rosen, nối các tầng khác nhau, trong đó mỗi tầng là một vũ trụ khác nhau. Trên thực tế, có một lượng vô hạn các tầng trong tòa nhà chọc trời này, mỗi một tầng lại khác biệt với các tầng khác. Nhưng thang máy này không bao giờ có thể đi xuống. Chỉ có một nút “lên”. Một khi bạn rời khỏi một tầng, hoặc vũ trụ, bạn sẽ không thể quay trở lại vì bạn đã vượt qua một chân trời sự kiện.

Các nhà vật lý có nhiều quan điểm khác nhau về mức độ ổn định của vòng Kerr. Một số tính toán cho thấy nếu một người nào đó cố gắng vượt qua vòng này, chỉ riêng sự hiện diện của người đó cũng sẽ làm lỗ đen mất ổn định, và cửa ngõ vào sẽ đóng lại. Chẳng hạn, nếu một tia sáng tiến vào lỗ đen Kerr, nó sẽ thu được năng lượng khổng lồ khi nó rơi về hướng trung tâm và trở thành dịch chuyển xanh - có nghĩa là, nó sẽ tăng tần số và năng lượng. Khi nó tiến gần chân trời, nó sẽ có nhiều năng lượng tới mức nó sẽ giết chết bất cứ ai cố gắng vượt qua cầu Einstein-Rosen. Nó cũng sẽ sinh ra trường hấp dẫn của riêng nó, và trường này có thể can thiệp vào lỗ đen ban đầu, có lẽ sẽ phá hủy cửa ngõ vào.

Tóm lại, trong khi một số nhà vật lý tin rằng lỗ đen Kerr là thực tế nhất trong số tất cả các lỗ đen, và quả thật nó có thể kết nối các vũ trụ song song, thì vẫn chưa rõ khi tiến vào cầu này sẽ an toàn đến mức nào hoặc con đường này sẽ ổn định đến mức nào.

QUAN SÁT CÁC LỖ ĐEN

Do những tính chất kỳ quái của các lỗ đen, nên cho tới tận đầu thập niên 1990 sự tồn tại của chúng vẫn được coi là khoa học giả tưởng. “Mười năm trước, nếu bạn tìm thấy một thiên thể mà bạn nghĩ là một lỗ đen ở trung tâm của một thiên hà, thì một nửa giới khoa học sẽ nghĩ bạn là một kẻ ngớ ngẩn.” [72] Nhà thiên văn Douglas Richstone từ Đại học Michigan bình luận năm 1998. Kể từ đó, các nhà thiên văn đã nhận dạng được hàng trăm lỗ đen trong khoảng không vũ trụ thông qua kính viễn vọng không gian Hubble, kính viễn vọng không gian tia X Chandra (đo các phát xạ tia X từ các nguồn sao và nguồn thiên hà mạnh), và kính viễn vọng vô tuyến cực lớn (bao gồm một loạt các kính viễn vọng vô tuyến mạnh mẽ tại New Mexico). Trên thực tế, nhiều nhà thiên văn tin rằng hầu hết các thiên hà trên bầu trời (có bầu phồng lên tại phần tâm đĩa thiên hà) có các lỗ đen tại trung tâm.

Như đã dự đoán, tất cả các lỗ đen được tìm thấy trong không gian đều quay rất nhanh, một số được kính viễn vọng không gian Hubble ghi lại là đạt tốc độ quay khoảng một triệu dặm mỗi giờ (1.61 triệu km/h). Tại trung tâm, người ta có thể thấy một lõi phẳng, hình tròn kích thước thường khoảng một năm ánh sáng. Bên trong lõi đó là chân trời sự kiện và chính bản thân lỗ đen.

Do lỗ đen là vô hình, nên các nhà thiên văn phải sử dụng các phương pháp gián tiếp để xác nhận sự tồn tại của chúng. Trong các bức ảnh, họ cố gắng nhận dạng “đĩa bồi tích” của khối khí xoáy tít bao quanh lỗ đen. Các nhà thiên văn hiện nay đã thu thập được các bức ảnh tuyệt đẹp của các đĩa bồi tích vật chất này. (Các đĩa này xuất hiện phổ biến ở các thiên thể quay nhanh trong vũ trụ. Thậm chí Mặt Trời của chính chúng ta có lẽ cũng đã có một đĩa tương tự bao quanh nó ở giai đoạn hình thành cách đây 4,5 tỉ năm, sau đó đã ngưng tụ thành các hành tinh. Lý do hình thành nên các đĩa này là vì chúng tương ứng với trạng thái năng lượng thấp nhất đối với các thiên thể quay nhanh như vậy. Bằng cách sử dụng các định luật Newton về chuyển động, các nhà thiên văn có thể tính toán khối lượng của thiên thể trung tâm nhờ biết được vận tốc của các ngôi sao bay trên quỹ đạo xung quanh nó. Nếu khối lượng của thiên thể trung tâm có vận tốc thoát ly bằng tốc độ ánh sáng, thì ngay cả bản thân ánh sáng cũng không thể thoát ra, đó là bằng chứng gián tiếp về sự tồn tại của một lỗ đen.

Chân trời sự kiện nằm ở trung tâm của đĩa bồi tích. (Thật không may là nó quá nhỏ để được nhận dạng bằng công nghệ hiện tại Nhà thiên văn Fulvio Melia tuyên bố rằng việc chộp được chân trời sự kiện của một lỗ đen trên phim là “báu vật được săn lùng” của khoa học lỗ đen.) Không phải tất cả khí rơi về hướng một lỗ đen đều vượt qua chân trời sự kiện. Một số trong chúng chuyển động vòng qua chân trời sự kiện và bứt ra với các vận tốc vô cùng lớn và bị bắn vào không gian, tạo thành hai luồng khí dài tỏa ra từ các cực bắc và nam của lỗ đen. Điều này làm cho lỗ đen có bề ngoài như của một con quay đang quay. (Lý do các luồng khí bị đẩy ra như thế có lẽ là do tác động của các đường sức từ của ngôi sao đang suy sụp, vì chúng trở nên mạnh hơn và tập trung ở các cực bắc và nam. Khi ngôi sao tiếp tục suy sụp, các đường sức từ này tụ lại thành hai ống tỏa ra từ cực bắc và nam. Khi các hạt ion hóa rơi vào các ngôi sao đã suy sụp, chúng cuốn theo lực tác động của các đường sức từ hẹp này và bị đẩy ra thành các luồng khí đi qua các từ trường cực bắc và cực nam.)

Hiện nay đã có hai loại lỗ đen đã được nhận dạng. Loại thứ nhất là lỗ đen sao, trong đó lực hấp dẫn nghiền bẹp một ngôi sao đang hấp hối cho đến khi nó nổ tung vào trong. Tuy nhiên, loại thứ hai dễ dàng phát hiện hơn. Chúng là các lỗ đen thiên hà, ẩn nấp tại chính trung tâm các thiên hà khổng lồ và các chuẩn tinh, nặng hàng triệu đến hàng tỉ lần khối lượng Mặt Trời.

Gần đây, một lỗ đen đã được xác định chắc chắn ở trung tâm Ngân Hà của chính chúng ta. Nhưng thật không may, các đám mây bụi che khuất trung tâm thiên hà, nếu không thế thì từ Trái Đất chúng ta đã có thể quan sát được một quả cầu lửa khổng lồ mỗi đêm đến từ hướng chòm sao Cung Thủ (Sagittarius). Nếu không có đám mây bụi đó, trung tâm Ngân Hà của chúng ta có lẽ sẽ sáng hơn cả Mặt Trăng, làm cho nó trở thành thiên thể sáng nhất trên bầu trời đêm. Lỗ đen tại lõi của thiên hà này nặng khoảng 2,5 triệu lần khối lượng mặt trời. Về kích thước, nó bằng khoảng một phần mười bán kính quỹ đạo của sao Thủy. Theo tiêu chuẩn thiên hà, đây không phải là một lỗ đen đặc biệt lớn; các chuẩn tinh có thể có các lỗ đen nặng vài tỉ lần khối lượng Mặt Trời. Lỗ đen trong sân sau nhà chúng ta hiện nay khá im lìm.

Lỗ đen thiên hà gần nhất kế tiếp nằm ở trung tâm của thiên hà Tiên Nữ (Andromeda), thiên hà gần Trái Đất nhất. Nó nặng gấp 30 triệu lần khối lượng Mặt Trời, và bán kính Schwarzschild của nó là khoảng 60 triệu dặm (khoảng 97 triệu kilômét). (Tại trung tâm của thiên hà Tiên Nữ có ít nhất là hai thiên thể lớn, có lẽ là các phần còn sót lại của một thiên hà trước đây đã bị Tiên Nữ nuốt chửng hàng tỉ năm trước. Nếu cuối cùng Ngân Hà của chúng ta va chạm với Tiên Nữ sau vài tỉ năm nữa, thì rất có thể, thiên hà của chúng ta sẽ bị nuốt chửng trong “dạ dày” của thiên hà Tiên Nữ.)

Một trong những bức ảnh đẹp nhất về lỗ đen thiên hà là bức ảnh của thiên hà NGC 4261 được chụp bằng kính viễn vọng không gian Hubble. Trong quá khứ, hình ảnh qua kính viễn vọng vô tuyến của thiên hà này đã cho thấy hai luồng khí rất thanh nhã phụt ra khỏi các cực bắc và nam của thiên hà này, nhưng không một ai biết cơ chế hoạt động phía sau nó là gì. Kính thiên văn Hubble đã chụp ảnh chính trung tâm của thiên hà này, khám phá ra một đĩa tuyệt đẹp trải rộng khoảng 400 năm ánh sáng. Tại chính trung tâm của nó là một chấm rất nhỏ chứa đĩa bồi tích, kích thước khoảng một năm ánh sáng. Lỗ đen trung tâm, mà kính viễn vọng Hubble không thể nhìn thấy, nặng khoảng 1,2 tỉ lần khối lượng Mặt Trời.

Các lỗ đen thiên hà giống như thế này mạnh tới mức chúng có thể ngốn trọn vẹn các ngôi sao. Năm 2004, NASA và Cơ quan Vũ trụ châu Âu thông báo rằng họ đã phát hiện một lỗ đen khổng lồ trong một thiên hà xa xôi đang nuốt chửng một ngôi sao. Cả kính viễn vọng tia X Chandra lẫn vệ tinh XMM-Newton của châu Âu đã quan sát cùng một sự kiện: một chùm các tia X phát ra từ thiên hà RX J1242-11, báo hiệu rằng một ngôi sao đã bị lỗ đen khổng lồ ở trung tâm nuốt chửng. Khối lượng của lỗ đen này ước tính nặng gấp 100 triệu lần khối lượng Mặt Trời của chúng ta. Các tính toán đã chỉ ra rằng, khi một ngôi sao tiến tới cận kề chân trời sự kiện của một lỗ đen, lực hấp dẫn khổng lồ làm biến dạng và kéo dãn ngôi sao cho đến khi nó bị nổ tung, làm phát ra một chùm các tia X để lộ chân tướng. “Ngôi sao này đã bị kéo dãn vượt quá điểm phá vỡ của nó. Ngôi sao xấu số này chỉ lang thang vào nhầm nhà hàng xóm,” [73] nhà thiên văn Stefanie Konossa từ Viện Max Planck ở Garching, Đức nhận xét.

Sự hiện diện của các lỗ đen đã giúp giải quyết nhiều bí ẩn tồn tại từ lâu nay. Chẳng hạn, thiên hà M-87 đã luôn gây tò mò cho các nhà thiên văn vì nó trông giống như một quả cầu sao khổng lồ gắn một cái “đuôi” kỳ lạ. Vì nó phát ra lượng bức xạ dồi dào, nên từng có thời điểm các nhà thiên văn nghĩ rằng cái đuôi này chính là một luồng phản vật chất. Nhưng ngày nay, các nhà thiên văn đã nhận thấy rằng nó được một lỗ đen khổng lồ, có lẽ nặng 3 tỉ lần khối lượng Mặt Trời, cung cấp năng lượng. Và hiện nay, người ta tin rằng cái đuôi kỳ lạ này là một luồng plasma khổng lồ, tuôn trào chứ không chảy ngược vào trong thiên hà này.

Một trong những khám phá ngoạn mục hơn liên quan tới các lỗ đen được phát hiện khi kính viễn vọng tia X Chandra đã có thể nhòm qua một khe nhỏ xuyên qua đám mây bụi trong khoảng không vũ trụ để quan sát một tập hợp các lỗ đen nằm gần rìa vũ trụ nhìn thấy được. Tổng cộng, nó đã quan sát được 600 lỗ đen. Ngoại suy từ đó, các nhà thiên văn ước tính có ít nhất là 300 triệu lỗ đen trên toàn thể bầu trời đêm.

CÁC VỤ BÙNG PHÁT TIA GAMMA

Các lỗ đen đề cập trên đây có lẽ đã hàng tỉ năm tuổi. Nhưng hiện nay các nhà thiên văn hiếm có cơ hội nhìn thấy các lỗ đen đang trong giai đoạn hình thành. Một số trong số này có thể là các vụ bùng phát tia gamma bí ẩn giải phóng lượng năng lượng vô cùng lớn trong vũ trụ. Các vụ bùng phát tia gamma khổng lồ chỉ đứng sau chính vụ nổ lớn khi xét theo năng lượng mà chúng giải phóng.

Lịch sử các vụ bùng phát tia gamma cũng rất lạ lùng, có từ thời Chiến tranh Lạnh. Vào cuối thập niên 1960, Hoa Kỳ đã lo lắng rằng Liên Xô hay một quốc gia khác có thể bí mật cho nổ một quả bom hạt nhân, có lẽ là trên phần hoang vắng của Trái Đất hoặc thậm chí là trên Mặt Trăng, vi phạm các hiệp ước quốc tế hiện hành. Vì thế Hoa Kỳ đã phóng vệ tinh Vela nhằm phát hiện các “chớp hạt nhân”, hoặc các vụ nổ bom hạt nhân trái phép. Vì một vụ nổ hạt nhân trải qua các giai đoạn khác biệt, phần triệu giây kế tiếp nhau, mỗi chớp hạt nhân phát ra là một chớp sáng kép đặc trưng mà vệ tinh có thể nhìn thấy. (Vệ tinh Vela đã bắt được hai chớp hạt nhân như vậy trong thập niên 1970 ngoài khơi bờ biển đảo Hoàng tử Edward gần Nam Phi, nơi có mặt các tàu chiến Israel, các quan sát hiện vẫn còn bị cộng đồng tình báo tranh cãi.)

Nhưng điều làm Lầu Năm Góc giật mình là vệ tinh Vela đã bắt được dấu hiệu của các vụ nổ hạt nhân cực lớn trong không gian. Liệu có phải Liên Xô đã bí mật cho nổ bom nhiệt hạch trong không gian sâu thẳm, bằng cách sử dụng một công nghệ tiên tiến chưa được biết đến hay không? Quan ngại trước viễn cảnh những người Xô viết có thể đã vượt qua Mỹ trong công nghệ vũ khí, các nhà khoa học hàng đầu đã được tập hợp lại để phân tích những tín hiệu gây lo ngại sâu sắc này.

Sau khi Liên Xô sụp đổ, thấy rằng việc giữ kín các thông tin này là điều không cần thiết nữa, vì thế Lầu Năm Góc đã chuyển một núi dữ liệu thiên văn cho giới thiên văn học, làm mọi người sửng sốt. Lần đầu tiên trong nhiều thập kỷ, một hiện tượng thiên văn hoàn toàn mới mẻ với năng lượng và phạm vi bao la đã được tiết lộ. Các nhà thiên văn nhanh chóng nhận ra rằng các vụ bùng phát tia gamma này, đúng như tên gọi, có sức mạnh khổng lồ, giải phóng trong vòng vài giây lượng năng lượng bằng toàn bộ năng lượng của Mặt Trời trong suốt cuộc đời khoảng 10 tỉ năm của nó. Nhưng những sự kiện này cũng chỉ là thoáng qua từng được vệ tinh Vela phát hiện ra, chúng đã mờ nhạt đi nhiều tới mức khi các kính thiên văn mặt đất hướng về phía chúng thì đã không quan sát được gì nữa. (Phần lớn các bùng phát kéo dài từ 1 tới 10 giây, nhưng bùng phát ngắn nhất chỉ kéo dài 0,01 giây, và một vài vụ kéo dài tới vài phút.)

Ngày nay, các kính viễn vọng không gian, các máy tính và các đội phản ứng nhanh đã làm tăng khả năng phát hiện các vụ bùng phát tia gamma của chúng ta. Khoảng ba lần mỗi ngày, các vụ bùng phát tia gamma lại được phát hiện, lập ra một chuỗi phức tạp các sự kiện. Ngay khi năng lượng từ một vụ bùng phát được vệ tinh phát hiện, các nhà thiên văn sử dụng các máy tính nhanh chóng định vị các tọa độ chính xác của nó và chĩa thêm nhiều kính viễn vọng và các cảm biến chính xác về hướng của nó.

Các dữ liệu từ các thiết bị này đã tiết lộ các kết quả thực sự kinh ngạc. Tại tâm của các vụ bùng phát tia gamma này có một thiên thể với kích thước thường chỉ vài chục dặm. Nói cách khác, sức mạnh vũ trụ không thể tưởng tượng của các vụ bùng phát tia gamma được tập trung trong một khu vực chỉ cỡ như thành phố New York. Trong nhiều năm, các ứng viên hàng đầu cho các vụ bùng phát như vậy là các sao nơtron đang va chạm nhau trong một hệ sao đôi. Theo thuyết này, khi quỹ đạo của các ngôi sao nơtron này tan rã theo thời gian, và khi chúng đi theo một đường xoắn ốc chết chóc, cuối cùng chúng sẽ va vào nhau và giải phóng ra một lượng năng lượng khổng lồ. Tuy các sự kiện như vậy là cực hiếm, nhưng vì vũ trụ quá mênh mông, và vì các vụ bùng phát này chiếu sáng toàn bộ vũ trụ, nên chúng được nhìn thấy vài lần trong ngày.

Nhưng vào năm 2003, chứng cứ mới mà các nhà khoa học đã thu thập lại chỉ ra rằng các vụ bùng phát tia gamma là kết quả của một “sao cực siêu mới” (“hypernova”) tạo ra một lỗ đen rất nặng. Bằng cách tập trung nhanh chóng các kính viễn vọng và các vệ tinh theo hướng của các vụ bùng phát tia gamma, các nhà khoa học đã thấy rằng chúng giống như một sao siêu mới rất nặng. Vì một ngôi sao đang phát nổ có một từ trường rất lớn và phóng ra bức xạ qua hai cực bắc và nam của nó, nên các sao siêu mới này bị lầm tưởng là phát ra nhiều năng lượng hơn bản thân nó trong thực tế - nghĩa là chúng ta quan sát thấy các vật bùng phát này chỉ khi chúng hướng trực tiếp vào Trái Đất, tạo ra một ấn tượng sai lầm rằng chúng mạnh hơn so với thực tế.

Nếu quả thật các vụ bùng phát tia gamma là các lỗ đen đang trong quá trình hình thành, thì các thế hệ kính viễn vọng không gian kế tiếp sẽ có khả năng phân tích chúng hết sức chi tiết và có lẽ sẽ trả lời cho một số câu hỏi bí ẩn nhất của chúng ta về không gian và thời gian. Cụ thể, nếu các lỗ đen có thể uốn cong không gian thành một chiếc bánh quy hình vòng xoắn thì chúng có thể uốn cong thời gian hay không?

CỖ MÁY THỜI GIAN VAN STOCKUM

Thuyết của Einstein liên kết không gian và thời gian thành một khối thống nhất không thể tách rời. Kết quả là, bất cứ một lỗ giun nào kết nối hai điểm xa xôi trong không gian cũng kết nối hai điểm xa xôi về thời gian. Nói cách khác, thuyết của Einstein thừa nhận khả năng du hành trong thời gian.

Bản thân khái niệm thời gian đã phát triển qua nhiều thế kỷ. Đối với Newton, thời gian giống như một mũi tên, một khi đã bắn ra, nó không bao giờ đổi chiều và di chuyển luôn luôn chính xác và không đổi tới mục tiêu nó. Sau đó Einstein đã giới thiệu khái niệm về không gian bị bẻ cong, vì thế thời gian giống nhiều hơn với một con sông nhẹ nhàng tăng tốc hoặc chậm lại khi nó chảy quanh co qua vũ trụ. Nhưng Einstein đã lo lắng rằng dòng sông thời gian có thể uốn cong trở lại vào chính nó. Biết đâu có thể tồn tại các xoáy nước hoặc các ngã ba trong con sông thời gian.

Năm 1937, khả năng này đã được nhận ra khi W. J. Van Stockum tìm thấy một nghiệm của các phương trình Einstein cho phép du hành trong thời gian. Ông đã bắt đầu với một hình trụ xoay dài vô hạn. Mặc dù về mặt tự nhiên thì không thể xây dựng một vật thể vô hạn, ông đã tính toán rằng nếu như một hình trụ xoay ở hoặc gần với tốc độ ánh sáng, nó sẽ kéo theo cơ cấu không-thời gian, giống như một đường được kéo đi cùng với các lưỡi của một máy xay sinh tố. (Điều này được gọi là hiệu ứng kéo hệ quy chiếu, và hiện nay về mặt thực nghiệm nó đã được nhìn thấy trong các bức ảnh chi tiết về các lỗ đen quay.)

Bất cứ ai đủ can đảm để du hành vòng quanh hình trụ này sẽ lướt nhanh, đạt được các tốc độ không tưởng. Trên thực tế, đối với một người quan sát ở xa, thì dường như cá nhân này đã vượt quá tốc độ ánh sáng. Mặc dù bản thân Van Stockum đã không nhận ra nó vào thời điểm đó rằng, bằng cách thực hiện một chuyến đi trọn vẹn xung quanh hình trụ, bạn có thể thực sự quay trở lại về thời gian, quay về thời điểm trước khi bạn rời đi. Nếu bạn đã rời đi vào lúc giữa trưa, thì lúc bạn quay về điểm bắt đầu của bạn, chẳng hạn, có thể là 6 giờ tối hôm trước. Hình trụ này quay càng nhanh thì bạn ngược trở lại thời gian càng xa hơn. (Hạn chế duy nhất là bạn không thể ngược trở lại thời gian xa hơn thời điểm ra đời bản thân hình trụ này.)

Vì hình trụ này giống như một cây nêu, nên mỗi lần bạn nhảy xung quanh cây cột này, bạn sẽ cuộn ngược trở lại xa hơn nữa về thời gian. Tất nhiên, người ta có thể từ bỏ qua một lời giải như vậy vì các hình trụ không thể dài vô hạn. Ngoài ra, nếu một hình trụ như vậy có thể được tạo lập, thì các lực ly tâm trên hình trụ sẽ vô cùng khủng khiếp, vì nó quay gần với tốc độ ánh sáng, khiến cho vật liệu tạo nên hình trụ này bị vỡ tứ tung.

VŨ TRỤ GÖDEL

Năm 1949, Kurt Gödel, một nhà logic toán lớn, đã tìm thấy một lời giải thậm chí còn kỳ lạ hơn cho các phương trình Einstein. Ông giả định rằng toàn thể vũ trụ đang quay tròn. Giống như hình trụ Van Stockum, người ta lướt nhanh bởi bản chất như mật đường của không-thời gian. Bằng cách bay trên một con tàu vũ trụ xung quanh vũ trụ Gödel, bạn quay lại điểm bắt đầu của mình nhưng dịch chuyển ngược trở lại về thời gian.

Về mặt nguyên tắc, trong vũ trụ của Gödel, một người có thể du hành giữa hai điểm bất kỳ trong không gian và thời gian trong vũ trụ. Chúng ta đều có thể tham dự mỗi sự kiện diễn ra trong bất cứ khoảng thời gian nào, bất kể nó xa đến đâu trong quá khứ. Vì có lực hấp dẫn, nên vũ trụ Gödel có xu hướng tự suy sụp vào chính nó. Do đó, lực ly tâm của chuyển động tự quay phải cân bằng với lực hấp dẫn này. Nói cách khác, vũ trụ phải quay vượt một tốc độ nhất định. Vũ trụ càng lớn thì xu hướng suy sụp càng lớn, và vũ trụ sẽ phải quay nhanh hơn để ngăn chặn sự suy sụp.

Chẳng hạn, đối với một vũ trụ kích thước như của chúng ta, Gödel tính toán rằng nó sẽ phải xoay mỗi vòng hết 70 tỉ năm, và bán kính tối thiểu cho du hành trong thời gian sẽ là 16 tỉ năm ánh sáng. Tuy nhiên, để du hành ngược trở lại thời gian, bạn sẽ phải di chuyển sát với tốc độ ánh sáng.

Gödel đã nhận thức rõ các nghịch lý có thể nảy sinh từ lời giải của ông: khả năng gặp gỡ bản thân mình trong quá khứ và thay đổi tiến trình lịch sử. “Bằng cách thực hiện một chuyến đi du hành thời gian trên một con tàu vũ trụ theo một lộ trình đủ lớn, ta có thể du hành tới bất kỳ khu vực nào của quá khứ, hiện tại và tương lai, và ngược trở lại trong các thế giới này, cũng hệt như có thể du hành đến các phần xa xôi của không gian trong các thế giới khác,” ông viết. “Tình trạng này dường như ngụ ý một điều phi lý. Vì nó cho phép một người du hành về những nơi mà bản thân anh ta đã từng sống trong quá khứ gần. Ở đó anh ta sẽ tìm thấy một người có thể là chính bản thân anh ta tại một thời kỳ sớm hơn nào đó của cuộc đời. Bây giờ anh ta có thể làm một điều gì đó cho người này, mà theo ký ức của chính mình, anh ta biết rằng điều đó đã không xảy ra với anh ta.” [74]

Einstein đã vô cùng bối rối với lời giải của người bạn và đồng thời là hàng xóm của ông tại Viện Nghiên cứu cao cấp ở Princeton. Phản ứng của ông đã bộc lộ điều này:

Theo tôi, bài viết của Kurt Gödel có đóng góp quan trọng cho thuyết tương đối rộng, đặc biệt là cho việc phân tích khái niệm thời gian. Vấn đề đề cập ở đây đã ám ảnh tôi ngay từ lúc xây dựng thuyết tương đối rộng, và tôi đã không thành công khi cố gắng làm sáng tỏ nó… Sự khác biệt “sớm hơn - muộn hơn” bị từ bỏ đối với các thế giới điểm nằm xa nhau theo nghĩa vũ trụ học, và nảy sinh những nghịch lý đó, liên quan tới hướng của kết nối nhân quả, mà ông Gödel đã nói tới… Sẽ thú vị nếu cân nhắc xem những điều này có phải bị loại trừ trên nền tảng vật lý hay không. [75]

Phản ứng của Einstein rất thú vị vì hai lý do. Thứ nhất, ông thừa nhận rằng khả năng du hành trong thời gian đã đeo đẳng ông ngay từ khi bắt đầu trình bày thuyết tương đối rộng. Vì thời gian và không gian được coi như một miếng cao su có thể uốn cong và bẻ cong, nên Einstein lo lắng rằng cấu trúc không-thời gian sẽ cong nhiều tới mức du hành trong thời gian trở nên khả thi. Thứ hai, dựa trên “nền tảng vật lý” ông đã bác bỏ lời giải của Gödel - nghĩa là, vũ trụ không quay, nó dãn nở.

Khi Einstein qua đời, người ta đã biết rằng các phương trình của ông cho phép các hiện tượng kỳ lạ (du hành trong thời gian, các lỗ giun) xảy ra. Nhưng không một ai dành cho chúng mối quan tâm đúng mực, vì các nhà khoa học cảm thấy chúng không thể thực hiện được trong tự nhiên. Người ta nhất trí rằng các lời giải này không có cơ sở trong thế giới thực, bạn sẽ chết nếu cố gắng đi tới một vũ trụ song song thông qua một lỗ đen; vũ trụ không quay; và bạn không thể chế tạo các hình trụ dài vô hạn, khiến cho du hành trong thời gian trở thành một câu hỏi mang tính học thuật.

CỖ MÁY THỜI GIAN THORNE

Vấn đề du hành trong thời gian nằm im lìm trong 15 năm cho tới tận năm 1985, khi nhà thiên văn Carl Sagan viết cuốn tiểu thuyết Contact (Tiếp xúc) và muốn đưa vào một cách thức giúp nữ nhân vật chính du hành đến sao Chức Nữ*. Điều này sẽ đòi hỏi một cuộc hành trình hai chiều, trong đó nữ nhân vật sẽ du hành tới sao Chức Nữ và sau đó quay trở về Trái Đất, nhưng các lỗ giun kiểu lỗ đen sẽ không cho phép cuộc du hành kiểu này. Ông đã quay sang tìm lời khuyên của nhà vật lý Kip Thorne. Thorne khiến cả thế giới vật lý bàng hoàng bằng cách tìm ra những lời giải mới cho các phương trình Einstein cho phép du hành trong thời gian mà không vấp phải nhiều trở ngại trong số những trở ngại trước đó. Năm 1988, cùng với các đồng nghiệp Michael Morris và Ulvi Yurtsever, Thorne đã chỉ ra rằng việc xây dựng một cỗ máy thời gian là hoàn toàn khả thi nếu bằng cách nào đó người ta có thể thu được các dạng thức kỳ lạ của vật chất và năng lượng, chẳng hạn như “vật chất âm lạ lùng” và “năng lượng âm”. Các nhà vật lý ban đầu còn hoài nghi lời giải mới này, vì không một ai từng thấy vật chất kỳ lạ này trước đó, và năng lượng âm chỉ tồn tại với những lượng rất nhỏ. Nhưng nó tạo ra một bước đột phá trong sự hiểu biết của chúng ta về du hành thời gian.

Lợi thế tuyệt vời của vật chất âm và năng lượng âm là chúng tạo ra một lỗ giun có thể vượt qua, nhờ đó bạn có thể thực hiện một chuyến đi hai chiều mà không cần phải lo lắng về các chân trời sự kiện. Trên thực tế, nhóm của Thorne thấy rằng một chuyến du hành qua cỗ máy thời gian như vậy có thể rất thoải mái, chứ không căng thẳng như trên một chuyến bay thương mại.

Tuy nhiên, vấn đề nảy sinh là các thuộc tính của vật chất kỳ lạ (hay vật chất âm) này hoàn toàn bất thường. Không giống như phản vật chất (được biết là có tồn tại và rơi xuống dưới do tác động của trường hấp dẫn từ Trái Đất), vật chất âm “rơi lên”, vì thế nó sẽ trôi nổi dưới lực hấp dẫn của Trái Đất vì nó sở hữu phản hấp dẫn. Nó bị vật chất thông thường và vật chất âm khác đẩy chứ không hút, điều này đồng nghĩa rằng sẽ rất khó tìm thấy nó trong tự nhiên, nếu như nó thực sự tồn tại. Khi Trái Đất bắt đầu hình thành 4,5 tỉ năm trước đây, bất cứ vật chất âm nào từng có trên Trái Đất cũng đã trôi dạt vào không gian sâu thẳm. Vì vậy vật chất âm rất có thể đang trôi nổi đâu đó trong không gian, nằm cách xa bất kỳ hành tinh nào. (Vật chất âm có lẽ sẽ không bao giờ đâm vào một ngôi sao hay một hành tinh đang lướt qua nó, vì nó bị vật chất thông thường đẩy).

Trong khi vật chất âm chưa bao giờ được tìm thấy (và hoàn toàn có thể không tồn tại), thì việc năng lượng âm tồn tại trong tự nhiên là điều có thể nhưng cực kỳ hiếm. Năm 1933, Henrik Casimir chỉ ra rằng hai tấm kim loại song song không tích điện có thể tạo ra năng lượng âm. Thông thường, người ta sẽ dự kiến rằng hai tấm kim loại sẽ vẫn không thay đổi vì chúng không tích điện. Tuy nhiên, Casimir đã chỉ ra rằng có một lực hút rất nhỏ giữa hai tấm kim loại song song không tích điện này. Năm 1948, lực nhỏ xíu này đã được đo đạc trên thực tế, chỉ ra rằng năng lượng âm hoàn toàn có khả năng tồn tại. Hiệu ứng Casimir khám phá ra một đặc trưng khá kỳ quái của chân không. Theo thuyết lượng tử, không gian trống rỗng đầy ắp các “hạt ảo” xuất hiện và biến mất liên tục. Mặc dù điều này vi phạm nguyên lý bảo toàn năng lượng nhưng hoàn toàn có thể có vì nguyên lý bất định Heisenberg chấp nhận các vi phạm đối với các định luật kinh điển, miễn là chúng xảy ra rất nhanh. Chẳng hạn, một electron và một phản electron, theo nguyên lý bất định, có thể được tạo ra từ hư không với xác suất rất nhỏ và sau đó hủy diệt lẫn nhau. Vì các tấm song song đặt rất gần nhau, nên các hạt ảo này không thể dễ dàng hình thành giữa hai tấm. Như vậy, vì có nhiều hạt ảo xung quanh các tấm hơn là phần giữa chúng nên xuất hiện một lực đẩy rất nhỏ đẩy các tấm song song lại gần với nhau. Năm 1996, hiệu ứng này đã được Steven Lamoreaux tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos [Hoa Kỳ] đo đạc chính xác. Lực hút mà ông đo được là rất nhỏ (tương đương 1/30.000 trọng lượng của một loài côn trùng bé nhỏ như kiến). Khoảng cách các tấm càng nhỏ thì lực hút này lại càng lớn.

Đây chính là phương thức hoạt động của cỗ máy thời gian Thorne hằng mơ ước. Một nền văn minh tiên tiến có thể bắt đầu với hai tấm song song, cách nhau một khoảng cực kỳ nhỏ. Các tấm song song này sau đó sẽ được tái định hình thành một khối cầu, sao cho khối cầu này bao gồm một vỏ trong và một vỏ ngoài. Sau đó, chúng có thể làm hai khối cầu và bằng cách nào đó tạo nên một lỗ giun liên kết giữa chúng, giống như một đường hầm trong không gian kết nối cả hai khối cầu. Mỗi khối cầu bây giờ bao lấ